Blog | 大科学领域

适用于PANDA的EPICS控制系统升级

@ Ralf Kapulla (PSI)

@ Uroš Zezula (Cosylab)

“永远不要更换正在运行的系统!”是一种智慧,但也是不完整的,因为同样可以补充:“但是,别忘了更换它,然后停止运行!”最终,每个运行中的系统都会遇到一个问题,你开始怀疑是否应该在它停止之前,对其进行更换。PANDA中使用的控制系统就处于这种情况,这也是为什么他们要有一个新的控制系统。

简介

PANDA是Paul Scherrer研究所的大型热工液压测试设施,用于调查先进轻水反应堆(ALWR)不同设计的安全壳系统行为和相关现象,以及大型独立效果测试 [1]。在PANDA进行的调查已包含在各种国际项目中,其中大多数由欧盟和经济合作与发展组织(OECD)的主持,并得到了全球众多组织的支持,例如监管机构、技术支持组织、国家实验室、电力公司以及相关行业 [2]。

PANDA控制系统可对设备进行预处理,并在控制室进行测试所需的所有主要操作。最初的控制系统基于FactoryLink SCADA软件(SIEMENS),尽管该控制系统自1993年开始至今都在运行,但SIEMENS在2007年5月停止了对FactoryLink的开发和支持,从而使FactoryLink的维护工作变得越来越困难。有一些功能,例如用操作员界面更新新硬件配置,或是允许某人开始数据采集等,都是必须的,但旧系统上没有。因此,PSI与Cosylab签约,来完成EPICS集成到PANDA的任务。

PANDA控制和数据采集系统架构

原始PANDA控制和数据采集系统的架构如图1所示。控制方面由运行在FactoryLink PC上的FactoryLink SCADA软件管理,而数据采集由HP 1000 A990控制。HP 1000 A990和FactoryLink之间的通信是由基于Berkeley套接字处理的,该套接字是在1993年用PSI代码编写的。2012年,对该控制系统进行了最后一次更改,将通信代码从原始的C转换为C ++。

基本上,所有传感器信号都转换为电压,然后发送到数据采集系统。执行器的部分信号保持不变,并发送到Selectron或Siemens PLC。船上的控制由Selectron和Siemens PLC执行。

图1:PANDA控制系统架构

数据采集系统是一个集成系统,可以测量信号并将其转换为工程单位。它由完整的集成组件组成,使用户可以执行所有与数据采集和转换相关的重要动作。

图2:HP 1000 A990

数据采集系统的后端由HP 1000 A990实时计算机系统组成,在运行PSI开发的软件,并由专用计算机控制。该软件是用Fortran编程语言编写的。启动和运行数据采集系统软件会生成一个“数据采集系统协议”,其中包含有关所用任务版本(例如,转换任务)和所选子任务的所有相关信息。

数据采集系统的前端包括一个HP 3852A大型机和四个HP-3853扩展器。大型机和每个扩展器都包含一个HP44704 16位高速电压表和几个HP-44713 24通道多路复用器。在PANDA的五个不同层级上共有30个多路复用器(即720个测量通道)。升级后,系统的这一部分保持不变。

数据采集系统软件的前端以最大5 Hz的速率进行测量。数据采集系统的后端读取前端执行的所有测量。数据以0.5 Hz的速率传输到“转换”任务,该速率是数据存储和数据可视化的最大速率。然后将转换后的数据发送到FactoryLink PC,在该PC中主数据连续存储。用户可在FactoryLink的工程界面上配置和维护系统。

控制系统升级

Siemens于2007年5月停止了FactoryLink的开发,因此PANDA控制系统的可靠性荡然无存。由于还有其他控制系统和可视化要求,因此决定替换FactoryLink。

新的控制系统使用EPICS(实验物理和工业控制系统)[3],并在Scientific Linux 7上运行。EPICS是一种主流的控制系统框架,在全球范围运用,为诸如粒子加速器和望远镜等大型科学实验用科学仪器创建分布式软实时控制系统。我们使用caQtDM [4]作为显示管理器。caQtDM软件包使用标准Qt图形用户界面来设计概要显示,并提供了一组特殊的小部件,以便以各种方式显示和管理控制系统数据。新的归档系统基于EPICS Archiver Appliance软件[5]。用Java编写的EPICS Archiver Appliance已经提供了一个完整的归档解决方案,旨在将其扩展到数百万个PV。建立的环境与SwissFEL的PSI最新大型研究机构的环境非常相似[9]。

EPICS IOC是一台运行一个或多个EPICS IOC应用程序的计算机。EPICS IOC和Selectron PLC之间的通信基于Modbus RTU链路层,使用的是Modbus [6]和asyn [7] EPICS驱动程序。EPICS IOC和Siemens PLC之间的接口基于Siemens 收/发协议,并通过s7plc EPICS驱动程序实现。

图3:HP 3852A大型机[6]

如图4所示,将E5810B GPIBBLAN网关(用于替换数据采集系统的后端(HP 1000 A990))连接到现有硬件(数据采集系统的后端HP 3852A)。使用基于“位元组流”的通信接口将PANDA数据采集系统集成到EPICS控制系统中。在StreamDevice协议文件[8]中描述了与HP 3852A的通信,该文件包含用于HP 3852A功能和变量的协议,这些协议会影响协议中命令的工作方式。

控制系统升级使系统维护更加容易。编写的EPICS应用程序涵盖了所有相关控制点的回读和设定点。所有其他功能,例如反应堆压力容器加热控制、与PLC的通信逻辑等,都通过标准EPICS记录类型实现。例如,添加新传感器、编辑物理单位或对控制系统进行常规更改,现在仅需要编辑适当的ASCII文件即可。图形用户界面可以在所有PANDA工作站上运行。PANDA运算符现在可以归档所有信号,包括中间信号(原始二进制数据、校正和转换前/后的信号、派生值),而这些信号在旧的控制系统中没有归档。最终,数据存储和数据可视化数据采集通道的最大速率不再限于0.5 Hz,而是可以配置到最高5 Hz。

Figure 4: Updated PANDA Control System. Very little in the overall system (Figure 1) changed.

结论

事实证明,在适当的时候升级PANDA控制系统软件是明智的决定。新系统更可靠,具有解决旧系统无法处理的要求的功能,例如,旧系统中需要4个手动步骤去开启数据采集,而新系统只需要一个按钮;在需要时,还可以创建新硬件UI。此外,性能也得到了改善。极其重要的是,现在可以使用标准技术以相同方式将所有设备集成到控制系统中。更为方便的是,操作员可以轻松地管理控制系统,该系统强大、可扩展、可靠且安全。

对PANDA控制系统升级或相关主题有任何疑问,请随时与作者联系。 uros.zezula@cosylab.com

关于作者

Ralf Kapulla 拥有卡尔斯鲁厄理工学院的理论机械工程文凭(1993,德国)和苏黎世联邦理工学院的技术科学博士学位(ETHZ,2000)。他在光学测量技术领域拥有25年的经验,这些技术包括应用于各种乱流的激光多普勒风速仪(LDA)、相位多普勒风速仪(PDA)、粒子图像测速仪(PIV)、激光诱导荧光(LIF)Schlieren技术和皮影术。他曾参与大型国际项目,例如ARTIST(2002–2008,破裂蒸汽发生器中的气溶胶行为),SETH-2(2008–2011,解决反应堆模拟安全壳热工条件的关键计算问题),ERCOSAM(2011–2013,当前和将来用于严重事故管理的轻水堆的安全壳热工液压油)和HYMERES(2012-2016年)和HYMERES-2(2017年至今,增进对安全壳内氢风险现象的理解)。他担任博士学位的导师,负责处理未分层和分层流中的混合,并教授“光学测量技术”。

Uroš Zezula于2015年加入Cosylab,成为PSI现场团队的一员。他曾从事与SwissFEL加速器相关的各种EPICS集成项目,在项目中,现如今他仍负责为控制系统集成

提供服务(实现支持模块、数据库、设备支持和用户界面)。他还负责PANDA(大型热工液压测试设备)的控制系统升级。业余时间,他喜欢与家人共度时光,喜欢远足和骑自行车等户外运动。

Others Also Read